L’energia chimica potenziale degli alimenti ingeriti dall’uomo viene come noto trasformata, mediante reazioni chimiche di ossidazione (prevalentemente esoenergetiche), in energia termica M e meccanica W. Questo processo costituisce il “metabolismo energetico” o “tasso metabolico” dell’individuo in cui una parte della produzione di energia termica è necessaria al corpo umano per mantenere costante la temperatura corporea e le funzioni vitali (il cosiddetto
metabolismo basale circa pari a 43 W/m2), mentre la restante parte è quella necessaria per le diverse attività svolte
dall’individuo di cui solo una piccola parte viene convertita in energia meccanica (notevolmente variabile a seconda del tipo di attività svolta).
Il metabolismo energetico viene espresso nel SI in watt (o anche riferendosi alla superficie unitaria del corpo in [W/m2])
anche se viene spesso utilizzata l’unità di misura incoerente met pari a 58.2 W/m2.
I metodi più precisi per la misura del metabolismo energetico sono quelli calorimetrici diretti e indiretti. Generalmente però nelle valutazioni ergonomiche ed ambientali è sufficiente disporre di valori approssimati facendo ricorso a tabelle che consentono di determinare il tasso metabolico genericamente in base al tipo di occupazione (impiegato, portiere, carpentiere, …) oppure alla specifica attività svolta (lavoro leggero, sostenuto, intenso, …).
La norma UNI EN ISO 8996:2005 illustra tali metodi differenziandone il livello (esame, osservazione, analisi e perizia) in funzione della precisione ottenibile (Tabella 9).
Livello Metodo Incertezza Ispezione dei luoghi di lavoro
1A: Classificazione in accordo all’occupazione
1 Esame
1B: Classificazione in accordo all’attività
Rischio di errore molto grande
Non necessaria
2A: Tabelle valori aggregati 2
Osservazione 2B: Tabelle aliquote disaggregate
Rischio di errore alto (incertezza ±20%)
Tempo e moto necessario allo studio 3
Analisi
Misura della frequenza cardiaca sotto assegnate condizioni
Rischio di errore medio (incertezza ±10%)
Studio richiesto per determinare un periodo rappresentativo
4A: Misure del consumo di ossigeno Tempo e moto necessario allo studio
4B: Metodo DLW Ispezione del luogo di lavoro non
necessaria, ma le attività disponibili devono essere valutate
4 Analisi approfondita
(Perizia)
4C: Metodo calorimetrico diretto
Incertezza funzione delle misure
(incertezza ±5%)
Ispezione del luogo di lavoro non necessaria
T a b e l l a 9 - L i v e l l i p e r l a d e t e r mi n a z i o n e d e l t a s s o me t a b o l i c o .
Le tabelle riportate nella norma ISO 8996 sono state quindi suddivise in due categorie: quelle che consentono valutazioni di massima (livello 1) e quelle per valutazioni più dettagliate (livello 2). Nella prima categoria di tabelle viene riportato un intervallo di valori a cui fare riferimento per varie occupazioni (Tabella 10) ed attività (Tabella 11). Nella seconda categoria di tabelle vengono invece riportate i valori del tasso metabolico riferiti ad attività dettagliatamente specificate (Tabella 12) e le aliquote che consentono di determinare il metabolismo energetico come somma del metabolismo basale, dell’aliquota dovuta alla postura o alla velocità di movimento e dell’aliquota dovuta all’attività svolta (Tabella 13).
I metodi di analisi basate su misure calorimetriche indirette o dirette possono essere invece ricondotte a:
-
il metodo indiretto basato sulla misura della frequenza cardiaca; in tal caso l’energia metabolica è determinata indirettamente dalla frequenza cardiaca registrata in un periodo di tempo rappresentativo sulla base della relazione esistente tra ossigeno inspirato e frequenza cardiaca stessa in assegnate condizioni. Secondo la norma UNI EN ISO 8996 e UNI EN ISO 9886 la frequenza cardiaca (generalmente misurata in bpm) può essere considerata come somma di diversi componenti:0 M S T N E
HR HR= + ∆HR + ∆HR + ∆HR + ∆HR + ∆HR (31)
avendo indicato con HR0 la frequenza cardiaca fermo in posizione prono in condizioni di neutralità termica;
∆HRM l’incremento di frequenza dovuto al carico muscolare dinamico, in condizioni di neutralità termica;
∆HRS l’incremento di frequenza cardiaca dovuto al lavoro statico muscolare; ∆HRT l’incremento di frequenza
cardiaca dovuto allo stress termico; ∆HRN l’incremento di frequenza cardiaca dovuta all’impegno mentale;
∆HRE l’incremento di frequenza cardiaca dovuto a altri fattori (i.e respirazione, ritmo circadiano,
disidratazione).
Il metodo descritto presenta una buona approssimazione nel caso in cui il carico muscolare statico, lo stress termico ed il carico mentale siano trascurabili. In tal caso l’energia metabolica può essere calcolata dalla misura della frequenza cardiaca durante il lavoro mediante una relazione lineare tra l’energia metabolica e la frequenza cardiaca. La frequenza cardiaca può essere registrata in modo continuo (e.g. elettrocardiografo) oppure mediante il conteggio delle pulsazioni dell’arteria (e.g. cardiofrequenzimetro) Figura 12a.
Per un intervallo dal limite inferiore di 120 bpm (ove la componente mentale può essere trascurata) a 20 battiti sotto la massima frequenza cardiaca del soggetto, la relazione fra frequenza cardiaca ed energia metabolica può essere scritta come:
0 0
HR HR= +RM (M M )⋅ − (32)
dove M è l’energia metabolica in [W/m2]; M
0 è l’energia metabolica in pausa, in [W/m2]; RM è l’incremento di
frequenza cardiaca per unita di energia metabolica; HR0 è la frequenza cardiaca a riposo, in condizioni di
neutralità termica.
-
il metodo basato sulla misura della quantità di ossigeno consumato; in tal caso l’energia metabolica può essere calcolata sempre indirettamente seguendo due diverse metodologie:i) metodo parziale, utilizzato nel caso di lavoro leggero o moderatamente pesante, in cui l’ossigeno inspirato raggiunge un valore stazionario uguale alla richiesta di ossigeno dopo un breve periodo di lavoro; la raccolta di aria espirata inizia dopo circa 5 min (in modo da superare il periodo preliminare di transitorio) e continua nel periodo principale (senza interrompere il lavoro) per 5- 10 min. La misura dell’aria espirata può essere effettuata sia raccogliendo tutta l’aria espirata mediante una borsa Douglas, sia per campionamento con un misuratore di portata (Figura 12b);
L’energia metabolica viene quindi determinata tramite la misura del consumo dell’ossigeno VO2 [dm3/h],
che attraverso l’equivalente energetico, EE [W h /dm3] dell’ossigeno e l’area del corpo A
Du[m3] viene
convertito in energia metabolica:
2
O Du
M EE V / A= ⋅ (33)
L’equivalente energetico dipende dal tipo di metabolismo ed è funzione del quoziente respiratorio (RQ) pari al rapporto tra le portate di anidride carbonica VCO2 e di ossigeno VO2 secondo la relazione:
( )
EE= 0.23 RQ 0.77 5.88⋅ + ⋅ (34)
Nella determinazione del tasso metabolico, l’uso di un RQ di 0,85 e di un EE di 5,68 W*h/l è, generalmente, sufficiente con un errore mediamente inferiore all’1%.
ii) metodo integrale, utilizzato nel caso di lavoro pesante di breve durata, la richiesta di ossigeno è superiore al limite della potenza aerobica di lunga durata (e.g. consumo di ossigeno maggiore di 60 litri/ora) ed il deficit di ossigeno viene bilanciato dopo che il lavoro è terminato. In tal caso l’intervallo di misura deve includere sia periodo di lavoro che il seguente periodo di riposo (Figura 11);
Il calcolo sarà effettuato come differenza tra il tasso metabolico totale misurato e il tasso metabolico conosciuto durante il periodo di riposo, seduto. Il tasso metabolico è ricavato dal metodo parziale tramite la seguente conversione:
(
)
p m r r p m m M t t t M M t t ⎛ + ⎞ ⎛ ⎞ =⎜⎜ ⎟ ⎜⎟ ⎝− ⋅ ⎟ ⎠ ⎝ ⎠ (35)-
il metodo basato sulla la misura DLW (doubly labelled water); questo si basa sulla misura di un campione della prima urina dopo che il soggetto ha bevuto una precisa quantità di 2H218O. Il deuterio 2H rappresenta laquantità di acqua ed il relativo tasso della scomparsa dal corpo (k2) fornisce una misura dello scambio di acqua.
18O identifica sia la quantità di bicarbonato che dell'acqua che sono in rapido equilibrio con la reazione
dell'anidride carbonica.
La frazione di 18O (k18) scomparso indica una misura del contemporaneo scambio di acqua e del biacarbonato
(rH2O+rCO2). Quindi, lo scambio del bicarbonato (p. es. i soggetti che producono una frazione di diossido di
carbone)può essere calcolato come la differenza fra le due frazioni costanti (k18-k2).
La quantità di diossido di carbonio può essere convertito in energia spesa usando il classico metodo di calcolo calorimetrico. La diluizione iniziale degli isotopi produce una misura del 2H e 18O usualmente nei calcoli della composizione del corpo.
Il metodo richiede che le misure siano fatte su almeno due semi vite biologiche degli isotopi: nei bambini, il minimo test di durata è sei giorni , in un adulto normale è circa 12 – 14 giorni, ed in un anziano può essere più lungo.
Il metodo DLW può essere confrontato con il calorimetro di tutto il corpo e prese le procedure di confronto in un numero di studi. Nessuno di questi ha registrato una significativa discrepanza fra DLW e il metodo comparatore in soggetti sotto condizioni di stato consolidato. In generale la precisione del metodo è circa ± 5% dipendendo dalle circostanze.
Benché la tecnica DLW è concettualmente semplice, vi sono un numero di dettagli complessi che devono essere compresi dall’utilizzatore.
Valutazione dell'energia Metabolica (livello 1A)
Energia Metabolica per varie occupazioni (ISO 8996 - tabella A1)
Occupazione Energia Metabolica [W/m2]
Lavoro di ufficio Lavoro sedentario 55 - 70 lavoro da impiegato 70 - 100 portiere 80 - 115 Artigiano Muratore 110 - 160 Carpentiere 110 - 175 Vetraio 90 - 125 Imbianchino 100 - 130 Fornaio 110 - 140 Macellaio 105 - 140 Orologiaio 50 - 70 Industria mineraria Autista 70 - 85
Minatore 110
Lavoratore di forno da coke 115 - 175 Industria del ferro e dell'acciaio Lavoratore di altoforno 170 - 220 Lavoratore al forno elettrico 125 - 145
Formatore 140 - 240
Macchina di formatura 105 - 165 Uomo di fonderia 140 - 240 Industria della lavorazione metallica e del
ferro Fabbro 90 - 200 Saldatore 75 - 125 Tornitore 75 - 125 Operatore alla perforazione 80 - 140 Meccanica di precisione 70 - 110 Lavorazioni grafiche Compositore manuale 70 - 95
Rilegatore 75 - 100 Agricoltura Giardiniere 115 - 190 Trattorista 85 - 110 Circolazione Autista 70 - 100 Autista autobus 75 - 125 Autista di tram 80 - 115 Operatore all'auto gru 65 - 145 Occupazione varie Assistente di laboratorio 85 - 100 Professore 85 - 100
Commesso 100 - 120
Segretario 70 - 85
Valutazione dell'energia Metabolica (livello 1B) Classificazione dei livelli secondo (ISO 8996 - tabella A2)
Valore medi energia metabolica Classe W/m2 W Esempi Classe 0: A riposo 65 (55 a 70) 115 (100 a 125) Riposo Classe 1: Tasso metabolico basso 100 (70 a 130) 180 (125 a 235)
Seduto a proprio agio: lavoro manuale leggero (scrittura, battitura a macchina, disegno, taglio, contabilità); lavoro con mani e braccia (piccoli utensili, ispezione, montaggio o cernita di materiale leggero); lavoro con braccia e gambe (guida di un veicolo in condizioni normali, manovra di un pedale o di interruttore con i piedi). In piedi: lavoro con trapano (piccoli pezzi); fresatrice (piccoli pezzi); avvolgimento bobine; avvolgimento piccole armature; lavoro con macchine di piccola potenza; passeggiare (velocità fino a 3.5 km/h). Classe 2: Tasso metabolico moderato 165 (130 a 200) 295 (235 a 360)
Lavoro sostenuto con mani e braccia: (martellare chiodi, limare); lavoro con braccia e gambe (guida di autocarri fuori strada, trattori o macchine per costruzione); lavoro con braccia e tronco (lavoro con martello pneumatico, montaggio trattori, intonacare, movimentazione intermittente di materiale moderatamente pesante, sarchiare, zappare, raccogliere frutta o verdura); spingere o tirare carri leggeri o carriole; camminare a velocità compresa tra 3,5 e 5,5 km/h; fucinare.
Classe 3: Tasso metabolico elevato 230 (200 a 260) 415 (360 a 465)
Lavoro intenso con braccia e tronco; portare materiale pesante; scavare con pala; lavorare con martello; segare, piallare o scalpellare legno duro; tosare l'erba a mano; scavare; camminare ad una velocità tra 5,5 e 7 km/h. Spingere o tirare carri e carriole con carichi pesanti; sbavare pezzi fusi; disporre blocchi di cemento. Classe 4: Tasso metabolico molto elevato 290 (>260) 520 (>465)
Attività molto intensa a ritmo da veloce a massimo; lavorare con la scure; scavare in modo intenso; salire scale o rampe; camminare velocemente a piccoli passi, correre, camminare a velocità superiore a 7 km/h.
T a b e l l a 1 1
Energia metabolica in W/m2
per un soggetto seduto in funzione del carico di lavoro e delle parti del corpo coinvolte (ISO 8996 - tabella B1)
Parti del corpo Carico di lavoro
leggero medio pesante
Entrambe le mani Valore medio 70 85 95 Intervallo <75 75 - 90 >90 Un braccio Valore medio 90 110 130 Intervallo <100 100 - 120 >120 Entrambe le braccia Valore medio 120 140 160 Intervallo <130 130 - 150 >150
Corpo Valore medio 180 245 335 Intervallo <210 210 - 285 >285
T a b e l l a 1 2
Supplemento di energia metabolica in W/m2
per posizioni del corpo
Posizione del corpo Energia metabolica in W/m2
Seduto 0 Inginocchiato 10 Accovacciato 10 In piedi 15 In piedi inclinato 20 T a b e l l a 1 3
F i g u r a 1 0
F i g u r a 1 1
(a)
(b)
4 . L a m i s u r a d e l b e n e s s e r e e d e l l o s t r e s s t e r m i c o
Per comprendere l’incertezza nella stima degli indici di comfort termoigrometrico (i.e. PMV) e di stress termico in ambienti caldi (i.e. WBGT) e freddi (i.e. IREQ) è possibile valutare la variazione di questi alla variare delle rispettive variabili di misura indipendenti.
Nel caso della stima del PMV tale valutazione può essere semplicemente effettuata con un metodo alle differenze mediante la variazione degli indici rispetto ai sei parametri indipendenti Ta, Tr, w, UR, Icl e M. In particolare è possibile stimare il discostamento massimo che l’indice può subire in funzione degli errori massimi ammessi dalle norme UNI-EN ISO 7726 nella misura dei parametri fisici e dalle norme UNI-EN ISO 8996 ed UNI EN-ISO 9920 nella misura dei parametri individuali. (Tabella 14)
Dall’esame della tabella è possibile evidenziare che:
-
sebbene le sensibilità del PMV agli errori di misura sulla temperatura dell’aria e sulla temperatura media radiante siano paragonabili, è evidente che la maggiore incertezza nella misura della temperatura media radiante renda maggiormente critica quest’ultima rispetto a quella della temperatura dell’aria;-
la sensibilità del PMV all’errore di misura sulla umidità relativa è sicuramente poco rilevante in condizioni di benessere;-
la sensibilità del PMV all’errore di misura sulla velocità dell’aria è sicuramente poco rilevante in condizioni di benessere;-
l’errore sul PMV determinato dalla misura dei parametri individuali M ed Icl può essere rilevante quando queste vengano stimate in modo approssimativo (ovvero con errori maggiori del 10%)Anche nel caso della stima del WBGT, la valutazione dell’incertezza dimisura può essere semplicemente effettuata con il metodo delle differenze rispetto ai tre parametri indipendenti Tg, Tn w, Ta e tenendo conto che il WBGT limite varia in funzione di M (Tabella 15) analogamente al PMV.
Dall’esame della tabella è possibile evidenziare che la sensibilità del WBGT all’errore di misura sulle temperature è maggiore per la temperatura di bulbo umido a ventilazione naturale rispetto a quelle media radiante e dell’aria.
Infine nella stima dell’incertezza di misura dell’IREQ rispetto ai cinque parametri indipendenti ta, tmr, UR, Va ed M, dall’esame della Tabella 16, è possibile evidenziare l’elevata sensibilità dell’IREQ all’errore di misura del metabolismo.
ta (°C) tmr (°C) UR% wa (m/s) M (met) Icl (clo) PMV Errore PMV 23 23 60 0.10 1 1 0 Errore ta=0.5°C 23.5 23 60 0.10 1 1 0.07 0.07 Errore tmr=2°C 23 25 60 0.10 1 1 0.25 0.25 Errore UR=5%* 23 23 65 0.10 1 1 0,03 0,03 Errore wa=0.15 23 23 60 0.15 1 1 -0.12 -0.12 Errore M=10% 23 23 60 0.10 1,1 1 0,20 0,20 Errore Icl=10% 23 23 60 0.10 1 1,1 0,14 0,14
* equivalenti ad un errore di circa 150kPa nelle condizioni ambientali utilizzate
T a b e l l a 1 4 – I n f l u e n z a d e l l e i n c e r t e z z e n e l l a m i s u r a d e l P M V e P P D ( c l a s s e C b e n e s s e r e )
ta
(°C) tg (°C) tnw(°C) M(met) WBGT Errore WBGT
30 35 25 4 27.5
Errore ta=0.5°C 30.5 35 25 4 27.6 0.05 (0 per ambienti interni)
Errore tg=0.5°C 30 35.5 25 4 27.6 0.1 (015 per per ambienti interni)
Errore tn=0.5°C 30 35 25.5 4 27.9 0.35
Errore M=10% 30 35 25 4.4 (influisce sul WBGT limite)
T a b e l l a 1 5 – I n f l u e n z a d e l l e i n c e r t e z z e n e l l a m i s u r a d e l W B G T i n a m b i e n t i s e v e r i c a l d i ( c l a s s e S s t r e s s t e r m i c o ) ta (°C) tmr (°C) UR% wa (m/s) M (met) IREQ (clo) Errore IREQ -10 -10 50 1 2 2.59 Errore ta=0.5°C -9.5 -10 50 1 2 2.56 0.03 Errore tmr=0.5°C -10 -9.5 50 1 2 2.58 0.01 Errore UR=5% -10 -10 50.5 1 2 2.58 0.01 Errore wa=0.15m/s -10 -10 50 1.1 2 2.60 0.01 Errore M=10% -10 -10 50 1 2.2 2.32 0.27 T a b e l l a 1 6 – I n f l u e n z a d e l l e i n c e r t e z z e n e l l a m i s u r a d e l l ’ I R E Q i n a m b i e n t i s e v e r i f r e d d i ( c l a s s e S s t r e s s t e r m i c o )
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